UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
Tema:
Curvas de Congelación
Curso:
Refrigeración y Congelación de Alimentos
Profesor:
Ing. Rocío Valdivia
Alumnos:
Alvarez Guerra, Guerra, David Alberto Müller Ríos, Erwin Eduardo
Grupo:
D
2013 – I
I.
INTRODUCCIÓN
Dentro de las diferentes técnicas de conservación de los alimentos, se encuentra la congelación que es una de las más utilizadas, el fundamento de ésta se basa en la solidificación del agua durante el proceso generando una alta concentración de sólidos solubles, lo que provoca una baja en la cantidad de agua libre y por tanto menos agua para microorganismos y reacciones químicas negativas. El proceso de congelación en los alimentos es más complejo que la congelación del agua pura. Los alimentos al contener otros solutos disueltos además de agua, presentan un comportamiento ante la congelación similar al de las soluciones. La evolución de la temperatura con el tiempo durante el proceso de congelación es denominada curva de congelación. Un alimento puede considerarse como una solución acuosa de una parte sólida conformada por uno o varios solutos. Cuando se inicia la congelación se forma hielo (agua pura) enriqueciéndose la solución en solutos en un proceso conocido como crioconcentración. Este tema es muy importante en las industrias de alimentos que trabajan con sistemas de refrigeración y congelación para la conservación de sus alimentos. Las pérdidas de calidad
de
los
alimentos
congelados,
debido
a
reacciones
enzimáticas
o
de
recristalización, pueden reducirse sustancialmente si se conoce el conjunto de variables que influyen en esta operación. Es por ello útil conocer las relaciones entre composición, temperatura y velocidad de congelación de los alimentos para identificar rangos de formulación, condiciones de procesamiento y/o almacenamiento que prolonguen su vida de anaquel. El presente informe busca alcanzar los siguientes objetivos: -
Obtener las curvas de congelación para un alimento líquido y otro sólido.
-
Distinguir y diferenciar las fases y partes de las curvas de congelación obtenidas.
II.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales y equipos -
Alimentos sólidos: manzana, mango, durazno.
-
Alimentos líquidos: néctar de manzana, mango, durazno.
-
Sondas PT100
-
Cámara de congelación
-
Software DATA TRACE
2.2 Métodos Elaboración de curvas de congelación de néctares de durazno, manzana y mango: -
Colocar la sonda PT100 en un tubo de ensayo con el néctar y llevarlo a la cámara de congelación.
Elaboración de curvas de congelación de alimentos sólidos -
Cortar la fruta elegida en una forma de cubo de 1 cm de lado. Insertar la sonda PT100 en el centro del alimento, según el esquema presentado en clase.
III.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación se presenta la Figura 1 en la que se observa la curva de congelación del néctar de manzana.
Figura 1: Curva de Congelación del Néctar de Manzana 30
20
)
C 10
° ( a r u t 0 a r e 0 p m e -10 T
3 1
20
40
60
4
80
100
120
2
5
-20
-30
Tiempo (minutos)
A continuación se presenta la Figura 2 en la que se observa la curva de congelación de la manzana.
Figura 2: Curva de Congelamiento de la Manzana (muestra sólida) 30
20
)
C 10
° ( a r u t 0 a r e 0 p m e -10 T
-20
A C B
20
40
60
D
E
-30
Tiempo (minutos)
80
100
120
A continuación se presenta la Figura 3 en la que se observa la curva de congelación del néctar de durazno.
Figura 3: Curva de Congelación del Néctar de durazno 25 20 15
) 10 C ° ( 5 a r u t 0 a r e p -5 0 m e T -10
50
100
150
200
250
-15 -20 -25
Tiempo (minutos)
A continuación se presenta la Figura 4 en la que se observa la curva de congelación del durazno.
Figura 4: Curva de Congelamiento del durazno (muestra sólida) 15 10 5
) C ( ° 0 a r 0 u t -5 a r e p m-10 e T
50
100
150
-15 -20 -25
Tiempo (minutos)
200
250
A continuación se presenta la Figura 5 en la que se observa la curva de congelación del néctar de mango.
Figura 5: Curva de Congelación del Néctar de mango 30
20
) C ° 10 ( a r u t 0 a r e 0 p m e -10 T
50
100
150
200
-20
-30
Tiempo (minutos)
1 A continuación se presenta la Figura 6 en la que se observa la curva de congelación del mango.
Figura 6: Curva de Congelamiento del Mango (muestra sólida) 25 20 15 10
) C ° 5 ( a r u t 0 a r e -5 0.0 p m-10 e T
50.0
100.0
-15 -20 -25 -30
Tiempo (minutos)
150.0
200.0
Las curvas de congelación obtenidas en la práctica tienen el parecido con la estructura teórica de una curva de congelación para alimentos (ver Figura 7 en Anexos) como muestra Lewis (1993). La existencia de solutos disueltos hace que la curva de congelación tenga esta estructura determinada. Para la realización de la práctica se utilizó una manzana, durazno y mango en representación de un alimento sólido y néctar de manzana, durazno y mango como alimento líquido. Observándose en las Figura 1, 3 y 5 las curvas de congelación del néctar de manzana, durazno y mango respectivamente, además en las figuras 2, 4 y 6 observamos las curvas de congelación para las muestras solidas de manzana, durazno y mango, podemos notar que todas las frutas y néctares tenían una temperatura aproximada de 26 °C al momento de colocarlo en la cámara de congelación. Lewis (1993) indica que el tiempo efectivo de congelación viene definido como el tiempo requerido para reducir la temperatura del punto de enfriamiento desde la temperatura ambiente hasta –15 °C. Esto depende del tamaño y de la naturaleza del producto, así como del método de congelación utilizado. Los tiempos de congelación están comprendidos entre menos de 1 minuto hasta más de 48 horas para grandes piezas de carne utilizando aire frío. En nuestra práctica se utilizó una cámara de congelación la cual garantiza una congelación lenta, de tal manera que se puedan observar las etapas del proceso de congelación. El néctar por ser diluido presenta menos sólidos solubles que la fruta entera. A mayor cantidad de solutos en una solución, menor será la temperatura de inicio de la congelación ya que se deprime el punto de congelación (Lewis, 1993). Este fenómeno se aprecia fácilmente al comparar las temperaturas de inicio de congelación de los tres néctares con sus respectivas frutas enteras. En este caso la manzana la temperatura de inicio de congelación es aproximadamente -3°C mientras que el de su respectivo néctar es aproximadamente -2°C (véase figuras 1 y 2). Para el caso del durazno entero la temperatura de inicio de congelación es -4°C mientras que para su respectivo néctar aproximadamente -1.5°C (véase figuras 3 y 4) y por ultimo para el caso del mango la temperatura de inicio de congelación para la fruta entera es aproximadamente -6°C mientras que su respectivo néctar aproximadamente -2°C (véase figuras 5 y 6) En toda todas las curvas podemos notar que el punto de inicio de la congelación es menor a 0 °C, debido a la presencia de sólidos en el alimento (Lewis, 1993).
En las curvas de congelación del néctar se puede observar claramente las etapas de la congelación. De 1- 2 se produce la liberación del calor sensible por lo que la temperatura disminuye uniformemente por debajo de 0 °C.
El punto 2 nos muestra la etapa de
sobreeenfriamiento. De 2 –3 se produce un calentamiento debido a la liberación de calor de los núcleos formados es por ello que se ve un incremento de la temperatura. El punto 3 corresponde a la temperatura de inicio de congelación; la temperatura no permanece constante del punto 3 – 4, por que a medida que se forman los cristales de hielo se va concentrando los solutos en solución lo que origina una depresión continua de la temperatura de congelación (Gruda, 1986). En esta situación no se aprecia el sobreenfriamiento que precede la formación del primer cristal de la mezcla. El punto 5 es considerada la temperatura eutéctica. Finalmente en el tramo siguiente se puede considerar que corresponde al cambio de estado de la mezcla eutéctica, ya que la curva en este tramo tiende a permanecer constante. En este punto la temperatura eutéctica aproximadamente fue de –20 °C para todas las muestras (véase figuras 1, 3 y 5) Para el caso de las frutas enteras en cubos, Sigue el mismo mecanismo; se aprecia claramente
el
punto
de
sobreenfriamiento
necesario
para
la
nucleación
(B).
Consideramos el punto (C) como la temperatura de inicio de la congelación y podemos observar que se encuentra por debajo de la curva del néctar debido a que al poseer más sólidos que éste. De C - D corresponde al cambio de estado, el cual no se produce a temperatura constante y esto concuerda con la teoría, pues a medida que transcurre la congelación los sólidos se van concentrando y ello provoca el descenso progresivo del punto de congelación. De D – E se produce extracción del calor sensible lo cual se traduce en un enfriamiento.
En este caso tampoco se observa el punto de
sobreenfriamiento antes de la congelación simultánea de soluto y solvente.
Por ello,
como en el caso anterior, se considera el punto E como la temperatura eutéctica (véase figuras 2, 4 y 6). Lewis (1993) menciona que los sólidos ocasionan que la temperatura de congelación sea menor a 0ºC, esto se corrobora con lo observado las gráficas (véase figuras 1, 2, 3, 4, 5 y 6), siendo el descenso en la temperatura de congelación proporcional a la concentración de sólidos en el alimento. Esto último se corrobora al comparar las temperaturas de inicio de congelación de la fruta con su néctar respectivo, encontrándose que los néctares presentan una mayor temperatura de inicio de congelación puesto que su concentración de solidos solubles es menor.
El punto de congelación de un alimento es aquella temperatura en la que coexisten, en equilibrio, el agua y pequeños cristales de hielo. El punto de congelación de un alimento es más bajo que el del agua pura, debido a la presencia de solutos disueltos. Muchos alimentos comienzan a congelar a una temperatura por debajo de -1°C (Fellows, 1994). En el caso de frutas, Fellows (1994) menciona que la temperatura de inicio de congelación está en el rango de –0.9 a -2.7 °C (ver Cuadro 1 en Anexos). Al observar las gráficas de congelación (véase figuras 1 al 6) se aprecia que las curvas de congelación difieren mucho a las curvas características de las soluciones binarias, puesto que no se aprecia fácilmente la etapa de formación de cristales de los solutos y por ende un incremento en la temperatura para llegar al punto eutéctico definido. Plank (1984) describe este comportamiento diciendo que al ser un alimento que contiene múltiples sustancias disueltas, al alcanzarse la saturación para un soluto A, por cristalización del agua, esta permanece en concentración constante, concentrándose los otros solutos, por lo tanto la temperatura no permanecerá constante en el congelamiento ulterior. Habrá solo un descenso en la velocidad de cambio de temperatura después de que el primer soluto ha alcanzado su saturación y lo mismo ocurrirá cuando los demás solutos alcancen su saturación en la porción sin congelar. Esto se observa claramente en todas las gráficas, puesto que en la región donde debería encontrarse el punto eutéctico existe un cambio en la temperatura, además se aprecia un decremento en la velocidad de disminución de esta. Según lo menciona Lewis (1993) las temperaturas eutécticas para alimentos están normalmente por debajo de -30 °C. Para fines prácticos, muchos alimentos se consideran congelados a -15 °C, temperatura a la que entre el 90% y el 95% del agua presente estará en forma de hielo. En la práctica no se llegó a menores temperaturas de congelación. Es decir, no se completó bien la gráfica. Por último, en los Anexos se encuentran 2 investigaciones importantes respecto a la congelación de Alimentos. Uno de los artículos trata sobre la congelación de alimentos bajo alta presión. Indica que el tiempo de congelación será menor con esta modificación de la presión y se ven sus efectos en la calidad de conservación del producto final. Por otro lado, se tiene el artículo de congelación de fresa por dos métodos: mixto criogénico y mecánico. El autor hace una comparación entre estos dos métodos y se observan claramente las curvas de congelación de la fresa. Esta curva de congelación que presenta la fresa es muy parecida a las obtenidas para mango, durazno y manzana. Se puede
observar que el punto de inicio de congelación está por debajo de los 0 °C, como se vino discutiendo a lo largo del informe.
IV.
-
CONCLUSIONES
Los alimentos (sólidos) contiene más sólidos solubles que el de los néctares, debido a esto, a mayor cantidad de solutos, menor es el punto de inicio de la congelación.
-
Se distinguieron las diferentes fases en el proceso de congelación, encontrándose claramente las siguientes fases; extracción del calor sensible hasta un punto de sobreenfriamiento, un punto de sobreenfriamiento, punto de inicio de la congelación, sin embargo no se ubicaron claramente el punto eutéctico ni el punto de completa congelación. .
-
Para el néctar de manzana el punto crioscópico (inicio de congelación) fue aproximadamente de –2 °C y el punto eutéctico de –20.4 °C.
-
Para
la
manzana
sólida
el punto
crioscópico
(inicio
de
congelación)
fue
aproximadamente de –3 °C y el punto eutéctico de –23 °C. -
Para el caso del néctar de durazno el punto crioscópico (inicio de congelación) fue aproximadamente de –1.5 °C y el punto eutéctico de –20 °C.
-
Para el caso del durazno sólido el punto crioscópico (inicio de congelación) fue aproximadamente de –4 °C y el punto eutéctico de –20 °C.
-
Para el caso del néctar de mango el punto crioscópico (inicio de congelación) fue aproximadamente de –2 °C y el punto eutéctico de –23 °C.
-
Para el caso del mango sólido el punto crioscópico (inicio de congelación) fue aproximadamente de –6 °C y el punto eutéctico de –23 °C.
V.
-
RECOMENDACIONES
Con propósitos de comparación y de constatar lo mencionado teóricamente en función a las curvas de congelación de una solución binaria, sería adecuado evaluar el comportamiento térmico de una solución con estas características, del mismo modo para el caso de una solución con 2 solutos, de modo que se observe la influencia del segundo soluto en la curva de congelación.
-
Tener un mayor tiempo de exposición de la sonda PT100 en el sistema de congelación para ver en la gráfica el punto en el que empieza a descender la temperatura después de llegar al punto eutéctico.
-
Tratar de no romper la cadena de frío para que el medio externo no afecta los resultados de la gráfica.
-
Exponer más frutas diversas a esta prueba para obtener diversas curvas de congelación y poder compararlas.
VI. -
BIBLIOGRAFIA
FELLOWS, P.
1994.
Tecnología del procesado de los alimentos: Principios y
prácticas. Editorial Acribia. Zaragoza, España. -
GRUDA, Z; POSTOLSKI, J. 1986. Tecnología de la congelación de los alimentos. Editorial Acribia S.A. Zaragoza, España.
-
LEWIS. 1993. Propiedades físicas de los alimentos y de los sistemas de procesado. Editorial Acribia S.A. Zaragoza, España
-
PLANK, R. 1984. El Empleo del Frio en la Industria de la Alimentación. Editorial Reverté. España.
VII.
ANEXOS
Cuadro 1: Contenido de agua y temperaturas de congelación de diversos alimentos Alimento
Contenido en agua (%)
Temperatura de congelación (°C)
Verduras
78 - 79
-0.8 a -2.8
Frutas
87 – 95
-0.9 a -2.7
Carne
55 – 70
-1.7 a -2.2
Pescado
65 – 81
-0.6 a -2.0
Leche
87
-0.5
Huevos
74
-0.5
Fuente: Fellows (1994) Figura 7: Curva de congelación para un alimento
Fuente: Lewis (1993)
